Диссертация (1104202), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

К этойгруппе образцов относятся структуры, у которых перед процессом травленияширина алюминиевой маски в наиболее узком месте мостика составляла величи­ну порядка или немногим более 40 нм. В структурах такого типа высоколегиро­ванный проводящий слой кремния в месте сужения (мостике) утоньшался мини­мально за счёт присутствия изотропной компоненты в анизотропном процессетравления, что и приводило к практически линейной зависимости транспорт­ного тока от приложенного напряжения и отсутствию влияния управляющегозатвора.Структуры второй группы демонстрировали поведение, характерное дляодноэлектронного транзистора с одним [16], [17], [132] или несколькими прово­дящими островами [133], [134].

Типичные транспортные характеристики подоб­ных образцов показаны на рис. 4.5. Для них характерно наличие небольшогоучастка кулоновской блокады порядка 3 − 15 мВ (рис. 4.5 б) на вольтампернойхарактеристике с асимптотическим сопротивлением в диапазоне 200 − 500 кОм.85Зависимость тока от напряжения на затворе для этих образцов была близка кпериодической (рис.

4.5 б).а)б)в)Рисунок 4.5 — Электрические характеристики одного из образцов,демонстрирующего типичное для классического одноэлектронноготранзистора поведение: (а) — ВАХ с величиной кулоновской блокады ∼ 12 мВ, (б) — семейство близких к периодическим характеристикуправления, (в) — ДС этого транзистора.Изменения тока с периодом порядка 25 мВ по напряжению на затворепроисходят на фоне более медленного изменения среднего значения тока с пе­риодом порядка 1.5 В (рис. 4.6).

Это может быть свидетельством того, что вэлектронном транспорте участвуют несколько последовательно или параллель­но соединённых проводящих островов с разной взаимной ёмкостью к управля­ющему затвору. Отношение наблюдаемых периодов указывает на отношениевзаимных емкостей образовавшихся островов с затвором. Острова, по-види­мому, формировались в месте наименьшей ширины нанопровода.

По-видимому,в структурах этой группы высокопроводящий слой кремния утоньшался такимобразом, что в месте сужения (мостике) в верхней части кремниевого слоя обра­зовывались небольшие (с размером в диапазоне 5 − 20 нм) проводящие остров­ки из высоколегированного кремния, разделённые туннельными переходами,что и определяло форму наблюдаемых транспортных и сигнальных характери­86стик. При этом видимой выемки в верхней части нанопровода не наблюдалось(рис.

4.2 в). Возможность образования подобных неоднородностей в простран­ственном распределении примесных атомов после процесса легирования наибо­лее наглядно показана в работе [135] методом атомно-зондовой томографии.a)б)Рисунок 4.6 — Электрические характеристики одного из образцов,демонстрирующего типичное для классического одноэлектронноготранзистора поведение: (а) — характеристика управления, на которойнаблюдаются осцилляции тока с двумя разными периодами по : 25 мВ и1.5 В, (б) — ВАХ образца.Ктретьейгруппе относятся структуры, демонстрирующие электриче­ские характеристики, значительно более близкие к ожидаемым от одноатом­ных структур.

На рис. 4.7 и рис. 4.8 представлены электрические характеристи­ки двух разных образцов, относящихся к данной группе. Для них характерноналичие на вольт-амперных характеристиках участка максимальной кулонов­ской блокады величиной около = 20 − 30 мВ (рис.

4.8 а), что указывает нахарактерный размер зарядовых центров, через которые осуществляется одно­электронный транспорт, менее 10 нм. Более точная оценка их размера будетдана в завершении главы. Такой размер острова близок к эффективному разме­ру примесного атома фосфора в кристаллической решётке кремния [136], [137].Под размером атома в данном случае имеется в виду область пространства,ограниченная сферой радиуса , в которой одночастичная энергия валентно­го электрона превышает значение его одночастичной потенциальной энергии.Размер этой сферы может быть приблизительно оценён на основании формулыБора в приближении эффективной массы: ∼ 2 ℎ2 /* 2 ∼ 3 нм,(4.1)87где * — эффективная масса электрона в кремнии, которая составляет0.2 – 0.3 массы электрона при температуре жидкого гелия, — главное кванто­вое число, ≈ 46 мэВ [138] — одночастичная энергия электрона относительнодна зоны проводимости в кремнии.

Сопоставление данной оценки с результата­ми эксперимента указывает, что на образцах из этой группы наблюдался элек­тронный транспорт через слабо (туннельно) связанные примесные атомы.Типичные значения асимптотического сопротивления подобных образцовлежат в диапазоне от единиц до десятков мегаом. Ток в зависимости от напряже­ния на затворе осциллирует, однако его зависимость далека от периодической.С увеличением напряжения на затворе средняя величина транспортного токаувеличивается (рис. 4.8 б), а размер кулоновской блокады уменьшается (рис.

4.7,рис. 4.8 г). Такое поведение типично для одноэлектронных транзисторов на ос­нове острова с малым количеством электронов [139], каким является зарядовыйцентр, образованный одиночным примесным атомом. Уменьшение или увеличе­ние зарядовой энергии с уменьшением среднего заряда на острове, то есть приувеличении напряжения на затворе, уже наблюдалось в других работах, посвя­щённым одноатомной электронике [84], [85], [140], [141]. К слову, наблюдаемое внашем случае её уменьшение с ростом указывает на донорный тип примесей[85], через которые осуществляется туннельный транспорт электронов, какимии являются атомы фосфора. По-другому этот эффект может быть трактованкак рост эффективного размера острова одноэлектронного устройства с уве­личением количества локализованных на нём электронов, что нетипично дляклассических одноэлектронных транзисторов.Рисунок 4.7 — Диаграмма стабильности типичного образца, где реализуетсяэлектронный транспорт через локализованные примесные атомы.88Чтобы электрон мог быть локализован на отдельном примесном атоме,должно быть выполнено условие слабой туннельной связи между допантами.Прозрачность туннельного барьера между двумя атомами фосфора в нашемслучае может быть оценена на основании характерной энергии размерного кван­тования и длины барьера как(︁ ~2 )︁,(4.2) = /2* 2где длину туннельного барьера можно выразить через расстоние междуатомами следующим образом = − 2 .

Если эффективный туннельныйбарьер между двумя атомами удовлетворяет условию > 10, то связь меж­ду атомами можно считать слабой и описывать электронный транспорт междуними можно в одноэлектронном приближении. Если же < 1, то область лока­лизации электрона будет включать сразу оба примесных атома. Учитывая это,можно сказать, что условие слабой связи будет выполнено при > 4.5 нм. Длянаших образцов это условие будет выполнено для среднего расстояния междупримесями, залегающими на глубине более 30 нм (рис. 4.2 а).

Такая оценка на­ходится в согласии с данными структурных измерений наших образцов этойкатегории. На СЭМ снимках большинства из них наблюдается выемка в верх­нем высоколегированном слое кремния высотой 20 – 30 нм (рис. 4.2 г).На диаграммах стабильности образцов данной категории наблюдаютсяособенности, несвойственные для одноэлектронного транзистора на одиночномпримесном атоме. На ДС некоторых образцов присутствуют области, состоя­щие из 5 − 6 расположенных рядом кулоновских ромбов одинакового размера(рис. 4.7). Также на ДС образцов может наблюдаться суперпозиция кулонов­ских ромбов с различным наклоном (рис. 4.8 в, г). Наблюдаемые особенностиповедения указывают на то, что электронный транспорт происходит в болеесложной по сравнению с одноатомным транзистором системе, состоящей избольшого числа примесей.

Детальное понимание всех наблюдавшихся особен­ностей было бы возможным в случае, если бы было известно точное располо­жение примесных атомов в кремниевом мостике. В рамках существующих насегодняшний день методов диагностики эта задача оказывается практическинерешаемой.Однако можно сравнить наблюдаемые характеристики с наиболее просты­ми возможными случаями расположения зарядовых центров: последователь­ным и параллельным. Известно, что в случае реализации последовательной89б)а)в)г)Рисунок 4.8 — Электрические характеристики одного из образцов,демонстрирующего электронный транспорт через локализованные примесныеатомы: (а) — серия ВАХ при различных , (б) — характеристика управления,(в, г) — ДС, измеренные в различных диапазонах затворных напряжений.цепочки островов невозможно с помощью изменения напряжения на затвореполностью разблокировать электронный транспорт, то есть уменьшить областькулоновской блокады на вольт-амперной характеристики до нуля [6], [142].

Внашем случае этого не наблюдается. Поведение нашей системы ближе случаюпараллельного транспорта через несколько зарядовых центров. В случае, ес­ли примесные атомы, через которые параллельно проходит одноэлектронныйтранспорт, находятся на достаточно большом расстоянии, то их взаимодействи­ем можно пренебречь.

В таком случае наблюдаемый ток между стоком и исто­ком будет результатом простого сложения тока через несколько независимыходноэлектронных транзисторов. В связи с разным расположением этих атомов,влияние окружения и затвора на каждый из этих зарядовых центров будетнесколько отличаться. Поэтому каждый из этих транзисторов будет разблоки­роваться при различных значениях . В результате на ДС будет наблюдатьсясуперпозиция сдвинутых относительно друг друга вдоль оси кулоновскихромбов. Примерно такая картина наблюдается на экспериментальной ДС, пред­90ставленной на рис. 4.7. По количеству близких друг к другу по размеру куло­новских ромбов можно грубо оценить количество таких параллельных одно­электронных каналов проводимости (5 – 10 штук). Подробная интерпретациясхожих, но несколько более сложных ДС, также наблюдавшихся в наших экспе­риментах (рис. 4.8 в, г) оказывается затруднительной, требует учёта взаимодей­ствия зарядовых центров друг с другом, а также моделирования электронноготранспорта в случае произвольного расположения атомов в кремниевом мости­ке.

Характеристики

Список файлов диссертации